Война с болезнями и бактериями: новый взгляд на старое
Сегодня новые открытия в биологии, физиологии и медицине появляются очень часто, ученые все глубже проникают в тайны организма, изучая все новые процессы. Но многие из ранее сделанных открытий о различных болезнях в свете современных знаний выглядят совершенно иначе.
По мере того, как ученые глубже проникают в механизмы, которые лежат в основе развития патологий, таких как диабет и болезнь Паркинсона, они изучают уже клеточные и молекулярные процессы, обмен белков, и способы влияния на них. Совершенно по-новому сегодня относятся и к свойствам некоторых вирусов, именуемых бактериофагами.
В свете все чаще возникающей резистентности бактерий к антибиотикам, их все активнее изучают с новых сторон.
Микротрубочки: больше, чем белковый «скелет» клетки
Микротрубочки — это часть структуры цитоплазмы внутри каждой клетки, представляющие собой сложную сеть белков, называемую цитоскелетом. Термин впервые введен Николаем Константиновичем Кольцовым в 1903 году.
Микротрубочки помогают поддерживать жесткость клетки, но они также играют важную роль при делении клеток и переносе соединений внутри цитоплазмы.
Дисфункция микротрубочек связана с нейродегенеративными состояниями, включая две тяжелые патологии — болезнь Паркинсона и Альцгеймера.
Нейрофибриллярные клубочки, которые представляют собой аномально скрученные нити белка, называемого тау-белком, являются одним из признаков болезни Альцгеймера. Обычно в сочетании с ионами фосфатов тау-белок помогает восстановлению микротрубочек.
Однако в нейронах при болезни Альцгеймера тау-белки несут в четыре раза больше фосфатов, чем обычно. Гиперфосфорилирование снижает стабильность и скорость синтеза микротрубочек, и это также может привести к повреждениям цитоскелета и всей клетки.
Роль микротрубочек в болезнях и возможности лечения
Пока окончательно не ясно, как эти изменения в производстве микротрубочек приводят к нейродегенерации, но исследователи заинтересованы в том, чтобы определить, может ли вмешательство в эти процессы в один прекрасный день помочь лечить или предупреждать болезнь Альцгеймера.
Проблемы с микротрубочками не касаются исключительно неврологических болезней. С 1990-х годов ученые обсуждают, могут ли они лежать в основе клеточных изменений, которые приводят к сердечному приступу.
В последнем исследовании, посвященном этому вопросу, сделан вывод о том, что химические изменения в сети микротрубочек сердечных клеток делают их более жесткими и менее способными к полноценным сокращениям.
Авторы считают, что разработка препаратов, которые нацелены на микротрубочки, в конечном итоге может стать еще и способом улучшения сердечной функции.
Проблемы митохондрий и болезнь Паркинсона
С курса школьной биологии многие помнят, что митохондрии являются электростанциями клетки. Это было выяснено очень давно, но сегодня ученые определяют, могут ли митохондрии быть причиной развития целого ряда болезней. Наибольшее внимание уделяется роли митохондрий в болезни Паркинсона.
На протяжении многих лет изучается участие различных митохондриальных патологий, мутаций в развитии болезни Паркинсона.
Например, проблемы могут возникать в сложных химических связях, которые генерируют энергию в митохондриях, могут возникать мутации в митохондриальной ДНК.
Кроме того, митохондрии могут быть повреждены за счет накопления активных форм кислорода, которые вырабатываются, как побочный продукт производства энергии.
Но как эти недостатки приводят к выраженным симптомам болезни Паркинсона, ведь митохондрии содержатся практически в каждой клетке человеческого тела? Ответ, похоже, лежит в типе клеток, имеющих дофаминергические рецепторы.
Эти клетки однозначно восприимчивы к митохондриальной дисфункции хотя бы потому, что они особенно чувствительны к окислительному стрессу. Нейроны также в большой степени зависят от кальция, элемента, который сохраняется в митохондриях. Без контроля митохондриального кальция дофаминергические рецепторы страдают.
Бактерии и вирусы: враги или друзья?
Бактериофаги — это вирусы, которые нападают на бактерий, уничтожая их. Они могут быть активными в отношении бактерий кишечника, вредящих организму. Если бактерии могут влиять на здоровье, то вирус, что их убивает, тоже воздействует на зараженный ими организм определенным образом.
Микробные клетки, присутствующие во всех экосистемах на Земле, довольно многочисленны. Бактериофаги, однако, превосходят их; эксперты называют их «практически вездесущими».
Влияние вирусов и микробов на здоровье и болезни — это запутанная сеть взаимодействий, которую специалисты только начинают распутывать.
Зная, насколько важна роль бактерий в инфекционных болезнях и нарушении здоровья, требуется лишь немного усилий, чтобы понять, как бактериофаги (специфические вирусы), которые являются уникальными для разных штаммов бактерий, могут когда-нибудь стать полезными для медицины.
Забытое старое: вирусы уже лечили!
Фактически, вирусы-бактериофаги использовались для лечения инфекций в 1920-1930-х годах. Они практически исчезли из употребления, прежде всего, потому, что на сцене появились антибиотики, которые было легче и дешевле хранить и производить. Но с появлением резистентности к антибиотикам, которая встречается все чаще, вполне возможен возврат к терапии бактериофагами, но уже в более совершенном виде. Бактериофаги также могут быть специфическими для одной бактерии или нескольких, в отличие от широкого спектра антибиотиков, бьющих в том числе и по своим полезным микробам.
Хотя возрождение интереса к бактериофагам является относительно недавним, некоторые ученые уже видят их потенциальную роль в борьбе с сердечно-сосудистыми и аутоиммунными болезнями, отторжением трансплантата и раком. Сегодня вирус-бактериофаг может оказаться весьма полезным, и ученые рассматривают вариант использования его в качестве лекарства при определенных патологиях.
Источник: https://MedAboutMe.ru/zdorove/publikacii/stati/sovety_vracha/voyna_s_boleznyami_i_bakteriyami_novyy_vzglyad_na_staroe/
Бактерии в вине могут улучшать здоровье
Согласно новому научному исследованию, бактерии в вине могут оказаться полезными для здоровья. В ходе данного эксперимента испанские ученые обнаружили в вине 11 штаммов бактерий, включая Лактобациллу, которая помимо этого содержится в йогурте, а также Oenococcus и Pediococcus, связанные с процессом виноделия.
«До сегодняшнего дня многие исследования демонстрировали, что наиболее эффективной для получения пробиотиков пищей являются молочные ферментированные продуты, поэтому пробиотические свойства содержащейся в вине Лактобациллы практически не изучались», – отмечает автор исследования Долорес Гонзалез де Льяно (Dolores Gonzalez de Llano) из Мадридского Автономного Университета в Испании.
Однако «сегодня, в условиях увеличения числа людей, страдающих непереносимостью лактозы, а также ввиду неблагоприятных эффектов холестерина, присутствующего в ферментированных молочных продуктах, нам необходимы новые немолочные пробиотики», – заявляет она.
Пробиотики – это живые организмы, способные обеспечить положительные для здоровья эффекты при их адекватном потреблении, говорит Гонзалез де Льяно.
Потребление пробиотиков может быть особенно полезным для поддержания здоровой популяции кишечных бактерий и функции кишечника, отмечает она, добавляя, что по некоторым свидетельствам пробиотики также могут обладать противораковыми и снижающими уровень холестерина свойствами.
В ходе данного исследования ученые изучили способность содержащихся в вине бактерий выживать в условиях, схожих со средой желудочно-кишечной системы человека, поскольку для того, чтобы обеспечить свой эффект, любым пищевым бактериям нужно уметь выживать во враждебных условиях желудочно-кишечного тракта.
Таким образом, ученые пытались определить выживут ли винные бактерии в симулированном желудочном соке, желчи и способном разрушать стенки бактериальных клеток ферменте под названием лизоцим, которым богата человеческая слюна.
Было установлено, что данные бактерии действительно способны выжить в таких условиях, причем их выживаемость оказалась подобна или даже выше, чем у некоторых известных благоприятных для человеческого здоровья штаммов.
Помимо этого также была проанализирована степень прилипания винных бактерий к стенкам человеческого кишечника на выращенных в чашке Петри клетках. В результате было обнаружено, что данные бактерии действительно прилипали, поэтому ученые выдвинули предположение, что эти штаммы «могут обеспечивать положительные эффекты, например, вытеснять патогены» или вредные бактерии из кишечника.
В частности «великолепную» способность к прилипанию к стенкам кишечника и активность в отношении кишечной палочки продемонстрировал один из штаммов под названием P. pentosaceus CIAL-86, отмечают ученые.
Пробиотические свойства этих молочно-кислых бактерий, обнаруженных в вине, подобны эффектам пробиотиков других продуктов, например, молочных, таких как сквашенное молоко, йогурт и сухая колбаса, а также продуктов растительного происхождения, таких как квашеная капуста, оливки, фрукты, злаки, мясо и рыба, утверждает Гонзалез де Льяно.
Между тем, полученные результаты вовсе не означают, что пара бокалов вина в день обеспечит такие же положительные для здоровья эффекты, как потребление йогурта, говорит она.
Даже несмотря на то, что умеренное потребление вина, – два бокала в день, по мнению Гонзалез де Льяно, – потенциально может оказывать определенные положительные для здоровья эффекты, само вино не может обеспечить адекватный объем пробиотиков для того, чтобы оказывать пользу, поскольку многие бактерии погибают при сульфатировании, процессе, который используется для стабилизации вина, добавляет она. (Сульфатирование представляет собой включение сульфитов, то есть, консервантов, часто используемых в производстве вина.)
Тем не менее, данные пробиотики «могут быть изолированы с целью создания отдельного коммерческого продукта или их включения в функциональные продукты питания», отмечает она.
Исследование было опубликовано в журнале Food Microbiology.
Источник: https://ironman.ru/news.php?id=4970
Бактерии достраивают свою ДНК из вирусной
Ученые открыли ключевой ген, благодаря которому бактерии могут захватывать ДНК вирусов. При этом они быстрее растут, адаптируются и приобретают важную способность образовывать биопленки.
«Выражаясь точнее, бактерии не захватывают генетический материал, а утилизируют его из вирусов, которыми заражаются», — объясняет Томас Вуд (Thomas K.
Wood), профессор отделения химической инженерии Техасского университета агрокультуры и машиностроения (Texas A&M University's Artie McFerrin Department of Chemical Engineering). Вирусы, инфицирующие бактерии, называются бактериофагами или просто фагами.
Они впрыскивают свою ДНК в бактериальную клетку, используя свой хвост словно иглу шприца. Внутри бактерии ДНК фага многократно размножается. Затем бактерия погибает, а фаги одеваются в оболочку и выходят на поиски новых клеток-хозяев.
Бактерии используют своих паразитов
Томас Вуд изучал взаимоотношения бактерии E. Coli (кишечной палочки) с так называемыми профагами. Профаг, или латентный фаг, также проникает в бактериальную клетку, но в отличие от истинного бактериофага не начинает бесконтрольно размножаться и не убивает клетку.
Когда ДНК фага оказывается внутри клетки, бактерия встраивает ее в свой геном. И такая добавка вирусного генома к своему собственному, очевидно, идет ей на пользу. E. Coli получает от фага 25 генов, которые ускоряют ее рост.
На той же самой питательной среде она начинает расти в пять раз быстрее, чем без фага.
Становится понятно, почему бактерия, как правило, содержит 10-20% генов, не принадлежащих ее собственному геному, — она набрала их от фагов. Эта вирусная ДНК дает бактерии дополнительные возможности: она позволяет ей лучше приспосабливаться к новой среде.
Какие-то из новых генов вполне могут оказаться полезными при смене среды обитания. Так бактерия получает возможность распространяться в пространстве. Необходимость возникает, когда запасы питательных веществ вокруг бактерии истощаются и нужно искать их в другом месте.
Или же когда физические условия, например температура, резко меняются и становятся неподходящими для жизни.
Томас Вуд установил, что бактерия может, используя определенные механизмы регуляции, или оставлять при себе вирусную ДНК, или избавляться от нее. И в том и в другом случае она получает плюсы и минусы. Вирусная ДНК позволяет бактерии быстрее расти, но одновременно снижает ее мобильность – способность к самостоятельному передвижению.
Сообщество дает новые возможности
При дальнейшем изучении этой проблемы Вуд и его коллеги установили, что вирусная ДНК влияет на способность бактерий переходить к другой жизненной форме, а именно формировать биопленки. Это тонкий слой, образованный сообществом соединенных друг с другом бактериальных клеток.
Биопленки появляются на разнообразных живых и неживых поверхностях, в том числе на камнях, продуктах питания, зубах, стенке кишечника, поверхности биомедицинских имплантатов, например искусственных суставов.
В составе таких колоний бактерии работают эффективнее и приобретают дополнительные свойства, например инфекционность. Специалисты Национального института здоровья (National Institutes of Health) утверждают, что 90% человеческих инфекций вызывает бактерии именно в форме биопленок.
А по мнению Центра контроля заболеваний (Centers for Disease Control), с биопленками связано 65% внутрибольничных инфекций.
Белок контроля над вирусом
Команда Вуда раскрыла и генетический механизм, который обеспечивает поглощение бактерией вирусного генома. Бактериальный белок под названием Hha способен определять, встроятся ли вирусные гены в белок или нет.
Когда ген Hha включается, бактерия избавляется от вирусной ДНК. При этом она теряет в росте и возможности образовать биопленки, но приобретает большую подвижность.
Если же ген Hha не работает, бактерия принимает вирусную ДНК, теряет подвижность, но быстрее растет и образует биопленки.
«Если мы поняли, как формируются биопленки, мы может постараться воздействовать на процесс, чтобы ускорить пленкообразование там, где это полезно, и затормозить там, где вредно, — говорит Вуд. – Мы нашли регулятор, белок Hha, который контролирует гены образования биопленок. Теперь надо понять, как влиять на активность этого гена. Задача будущего – создавать биопленки биоинженерным способом».
Ученые считают, что смогут использовать полезные биопленки в самых разных областях — медицине, получении биотоплива или, к примеру, в регенерации почв. Для последнего, например, надо сформировать биопленки на корнях растений и высадить их в загрязненную почву, а сообщества бактерий будут ее очищать.
Источник: https://d.infox.ru/news/9/science/medicine/18927-bakterii-dostraivaut-svou-dnk-iz-virusnoj
Ученые открыли новые подробности работы иммунитета бактерий
Ученые из России и США под руководством директора Центра системной биомедицины и биотехнологий Сколтеха, профессора Константина Северинова выявили новые особенности системы иммунитета бактерий, CRISPR-Cas, которые могут помочь в эпидемиологических исследованиях.
Об этом сообщила в среду пресс-служба Сколтеха. Результаты работ опубликованы в журнале Nucleic Acids Research.
“Результаты исследования могут оказаться полезными при создании новых бактериальных штаммов и для эпидемиологических исследований”, — приводит пресс-релиз слова Ольги Мушаровой, аспирантки Сколтеха, одного из авторов статьи.
CRISPR-Cas системы защищают бактерии от вирусов. CRISPR-Cas система состоит из участка ДНК бактерии, который называется «CRISPR-кассета» и генов Cas-белков.
В CRISPR-кассете находятся копии участков вирусных генов — спейсеры, своеобразные слепки с участков вирусных генов.
Если последовательность спейсера совпадает с последовательностью чужеродной ДНК, которая появилась в клетке, Cas-белки могут распознать ее и разрезать.
Статья аспирантки Сколтеха Ольги Мушаровой посвящена тому, как спейсеры, соответствующие чужеродной ДНК, попадают в CRISPR-кассету.
Встраивание спейсеров происходит в то время, когда инфицированная клетка пытается бороться с вирусом, разрезая его ДНК.
Как показало исследование другой группы из Сколтеха, разрезание чужеродного гена в одном месте не гарантирует обезвреживания агрессора — в некоторых случаях почти все атакованные бактерии гибнут, хотя у них есть нужный спейсер.
Но Мушарова и ее коллеги проследили механизм защиты, при котором белки Cas в несколько этапов разрезают почти всю чужеродную последовательность, делая из нее множество новых спейсеров. Эти новые спейсеры встраиваются в CRISPR-кассету, что дает клетке и ее потомкам возможность эффективнее бороться с вирусом.
Прежде этот механизм не исследовали in vivo, то есть, на живых бактериях, и не получали полную картину процесса.
«Наши результаты дали возможность построить полную модель CRISPR-иммунитета — от исходной „вакцинации“, то есть, приобретения нового спейсера, до разрушения ДНК вируса во время последующих инфекций», — сказала Мушарова.
В настоящее время системы CRISPR-Cas используются в генной инженерии для точного редактирования ДНК и создания организмов с заданными свойствами. Кроме того, CRISPR-Cas можно использовать для лечения заболеваний с генетической природой — с помощью белков Cas можно вырезать из последовательности ДНК нежелательные мутации.
Читать ещё •••
Наука
,
Константин Северинов
,
США
Источник: https://news.rambler.ru/science/36164302-uchenye-otkryli-novye-podrobnosti-raboty-immuniteta-bakteriy/
Пробиотики и продукты, их содержащие: самая полная информация от эксперта
Условно-патогенные бактерии (УПБ) встречаются у здоровых людей, но в небольших количествах, и потому не приводят к развитию заболевания.
В кишечнике здорового человека их рост сдерживают сапрофитные бактерии. При благоприятных для УПБ условиях, они способны начать активно размножаться в кишечнике и/или увеличивать факторы их патогенности, что может стать в итоге причиной заболевания.
Естественно, изменения, затрагивающие триллионы живых бактериальных клеток кишечника, отражаются на состоянии всего организма человека.
Поэтому неслучайно к проблеме дисбактериоза кишечника, особенно в последнее время, приковано внимание медицинской общественности всего мира.
Пробиотиками принято называть не только сами «хорошие» бактерии, но и препараты или пищевые продукты, их содержащие.
Когда говорят о пробиотических бактериях, то чаще всего имеют ввиду бифидобактерии и лактобациллы и, реже, — некоторых представителей стрептококков, энтерококков, сахаромицетов и кишечную палочку.
Сегодня известно около 90 видов лактобацилл, но к пробиотикам, имеющим положительное влияние на здоровье человека, относятся только некоторые из них. То же самое и с бифидобактериями.
Исследования показали, что те женщины, кто в течение трех недель принимал пробиотики в капсулах, отмечали значительное снижение боли в груди, более низкое содержание бактерий и бОльшую скорость полного выздоровления, чем женщины, принимавшие антибиотики. Кроме того, у женщин, принимавших пробиотики, в три – четыре раза реже возникали рецидивы (повторы) заболевания.
Каждый штамм пробиотических бактерий обладает ОПРЕДЕЛЕННЫМИ эффектами на организм человека. Разные ШТАММЫ даже одного рода и вида обеспечивают разные эффекты.
Ошибочно думать, что лактобацилла или бифидобактерия любого вида или штамма способна оказать на Ваш организм один из перечисленных выше эффектов. Нет. Не любой микроб!
То есть при выборе «правильного» пробиотика, покупайте тот препарат (или пищевой продукт, но об этом позже), который содержит именно тот штамм/ штаммы пробиотических бактерий, польза которых доказана медицинской наукой для конкретной ситуации со здоровьем!
Ведь бОльшая часть клинических исследований проводилась с КОНКРЕТНЫМИ штаммами пробиотиков.
Интересно, что определенные «полезные» микробы из разных родов могут оказывать аналогичные эффекты на организм человека.
Например, в качестве вспомогательного лечения при хеликобактерной инфекции аналогичные эффекты в экспериментах доказали:
Все результаты, подтверждающие в экспериментах положительное влияние пробиотиков на здоровье человека, были получены при использовании ОПРЕДЕЛЕННЫХ КОЛИЧЕСТВ (дозировок) ПР.
Количество МО в пробиотических препаратах или продуктах выражается в виде десятки, возведенной в степень. Степень указывает на количество нулей после единицы.
При выборе препарата необходимо обращать внимание на информацию производителя о том, что он гарантирует, что препарат содержит указанное количество МО до конца срока хранения, а не только на момент производства.
Это — разные вещи: есть риск приобрести препарат, в котором погибла бОльшая часть пробиотиков (или все), но срок годности еще не истек.
В одном из исследований было доказано, что из 108 микробных тел лактобактерий, принятых в кислотоустойчивой капсуле, в кишечнике обнаруживается 107, после приема такого же количества (108) в йогурте – только 104, то есть в 1000 раз меньше. А после приема той же дозы в виде порошка, пробиотиков в кишечнике не обнаруживалось вовсе. Понятно, что при приеме препарата в виде жидкости, результат будет близкий к результату порошка из пробиотиков.
В большинстве клинических исследований продолжительность приема пробиотиков составляла один месяц. И важное значение для достижения эффекта имеет регулярность приема.
Доказано, что даже наиболее эффективные пробиотики сохраняются в кишечнике человека в течение только 1- 3-х недель после того, как закончен курс их приема.
Получить пробиотические бактерии можно не только из препаратов, но и из обогащенных пробиотиками ферментированных продуктов питания, то есть из продуктов, подвергавшихся процессу брожения (молочнокислого, спиртового брожения или квашению, солению).
Кроме того, пробиотический эффект продукта возможен только при условии, чтои пробиотические МО живые. Такие можно найти в кисломолочных продуктах со сроком хранения пару дней (при условии правильной транспортировки и хранения).
Все другие продукты с более продолжительным сроком хранения проходят процесс пастеризации и, как правило, пробиотики в них погибают под действием температуры.
На этикетке должно быть указано, что продукт «СОДЕРЖИТ живые культуры» (или «активные культуры»), а не «СДЕЛАН с живыми/ активными культурами», так как живые культуры могли быть использованы при производстве, но в последующем уничтожены при тепловой обработке с целью увеличения срока годности продуктов.
Светлана Шевелева, руководитель лаборатории санитарно-пищевой микробиологии и микроэкологии Института Питания РАМН, считает, что необходимо четкое выделение группы лечебных продуктов и «к ним должны применяться более жесткие требования – высокая доза пробиотика – 108 – 109 КОЕ/г. Для сравнения, в большинстве продуктов используется обогащение пробиотиками – 106».
В результате судебного разбирательства сначала в США, а затем в Канаде, выяснилось, что компания сознательно вводила потребителей в заблуждение.
Суд решил, что Даннон не имела никаких клинических доказательств того, что пробиотик в Activia йогурте лучше для предотвращения болезней или регуляции пищеварения по сравнению с пробиотическими бактериями в любом другом бренде йогурта.
Поэтому был сделан вывод, что нет смысла переплачивать за продукты с приставкой «био-».
Кисломолочные продуты полезны сами по себе за счет продуктов жизнедеятельности заквасочных бактерий. Они являются биологически активными веществами – ферментами, аминокислотами, витаминами, антибиотическими веществами и так далее, которые помогают в переваривании и усвоении пищи.
Побочные явления пробиотиков (газообразование и вздутие живота) обычно являются временными.
Для большинства людей пробиотики не представляют каких-либо рисков. Тем не менее, для людей, принимающих иммуносупрессивные (искусственно понижающие иммунитет) препараты, прием пробиотических бактерий может увеличить риск развития инфекций.
В заключении хочется сказать, что микробиом каждого человека – уникальная, сложная и динамичная экосистема. Пробиотики могут повлиять на двух человек по-разному; даже на одного и того же человека влияние может быть разным в разные дни, в зависимости от режима сна, уровня стресса, использования лекарственных средств, а также от бесчисленного множества других факторов.
Источник: https://roscontrol.com/community/article/probiotiki-i-produkti-ih-sodergashchie-samaya-polnaya-informatsiya-ot-eksperta/
«Бактерии — это темная материя, которую мы не знаем»
Человечеству известно не более одного процента из существующих микробов. Огромный неизученный мир обнаружили ученые, разыскивая новые антибиотики
ООН призвала цивилизованный мир бросить все силы на борьбу с устойчивостью бактерий к антибиотикам. За всю историю организации это стало четвертой проблемой здравоохранения, вынесенной на столь высокое обсуждение. Международных наблюдателей напугали известия этого года о том, что сразу в нескольких госпиталях обнаружили бактерии, устойчивые кколистину — антибиотику самого последнего поколения.
Ситуация обостряется, потому что сегодня 15 из 18 крупнейших фаркомпаний мира отказались от разработки и производства антибиотиков — не выгодно. Парадокс в том, что вещества, поражающие бактерий, чаще всего производят сами бактерии. Тот же левомицетин, спасший миллионы жизней от брюшного тифа и дизентерии, производят бактерии, живущие в почве и в соленой воде.
Сегодня, чтобы найти новую бактерию, которая может спасти человечество, ученые без особого успеха “просеивают” претендентов из отдаленных пещер Африки и подледных озер Антарктиды.
Есть ли какие-то более простые пути решения проблемы? Ученые ищут новые лекарства с помощью метагеномики. Этот передовой метод молекулярной биологии позволяет определить ДНК любого содружества живых существ.
Когда ученые таким образом изучили не отдельную бактерию, а их сообщества вместе со средой обитания, то были поражены количеством неизвестных ранее микроорганизмов, которые наверняка содержат в себе перспективные вещества. Теперь задача в том, чтобы их извлекать и модифицировать.
Значит ли это, что мы стоим на пороге революции, которая подарит нам десятки новых лекарственных веществ? И не открываем ли мы ящик Пандоры, “вытаскивая” из небытия неизвестные ранее токсичные вещества, скрываемые природой? На эти вопросы “Огоньку” ответил профессор Ратгерского университета (США) и Сколковского института науки и технологий, заведующий лабораториями в Институте молекулярной генетики РАН и Институте биологии гена РАН Константин Северинов.
— Бактерии совершенствуются, спектр действия антибиотиков сужается. Действительно ли ситуация столь критична, что нам нужно придумывать новые пути решения проблемы?
— С середины 90-х традиционные стратегии поиска новых антибиотиков перестали работать: с тех пор в реальную медицинскую практику не было введено новых классов природных антибиотиков. Выход, по-видимому, будет найден за счет развития новой науки — геномики.
— Мы будем глубже изучать гены бактерий?
— Не только. Дело в том, что с того момента, как Александр Флеминг, который, по легенде, случайно чихнул в чашку Петри и таким образом открыл первый антибиотик, поиск новых антибактериальных лекарств шел по одному принципу. Ученые отыскивали бактерии или микроскопические грибы, выделяли их чистую культуру в пробирке и дальше исследовали их способность производить биологически активные вещества. Так в течение 50-60-х годов удалось получить большое количество новых классов антибиотиков, которые мы используем до сих пор.
Теперь благодаря методам расшифровки ДНК можно исследовать не один конкретный организм, не одну бактерию, способную расти в условиях лаборатории, а целое сообщество бактерий, подавляющее большинство которых, как оказалось, в лаборатории расти как раз отказываются, и, следовательно, мы не можем оценить, производят они какие-либо биоактивные вещества или нет. Например, можно взять кубический сантиметр почвы из цветочного горшка, стоящего у вас на подоконнике, и выделить оттуда суммарную ДНК всех находящихся там живых организмов. Ее изучение показывает, что генетическое разнообразие микробов чудовищно огромно, оно превосходит все ожидания ученых и с трудом укладывается в воображение.
— Учитывая, что более или менее приличный микроскоп изобрели в XVII веке, как могло получиться, что мы не знали о таком огромном количестве микробов вокруг нас?
— Очень просто: мы всегда оценивали разнообразие этих микроорганизмов, учитывая только те бактерии, которые смогли вырастить на чашках Петри. Но они представляют собой лишь крохотную часть мира микробов, который существует вокруг нас. Оценки сейчас разнятся, но предполагается, что такие “невидимые”, некультивируемые бактерии составляют 99-99,9 процента общего числа бактерий. Можно сказать, что они представляют собой темную материю, которую мы не видим, не можем “пощупать” и вырастить на чашке Петри.
— Почему же их невозможно вырастить?
— А почему они обязаны расти в пробирке? Вы предлагаете бактериям какую-то питательную среду, но они любят нечто совсем другое. Кишечные палочки, с которыми часто работают в лаборатории, очень любят мясной бульон, недаром же они живут у нас в кишечнике, и их очень просто культивировать. Некоторые более привередливые микробы растут только на средах, содержащих яичный желток, а третьим для роста обязательно нужно добавить какао или сложный коктейль микроэлементов. Вообще наука, или, вернее, искусство культивации микробов — сложная штука, построенная методом проб и ошибок. Большинство микроорганизмов не растут в лаборатории потому, что мы слишком мало знаем об их пищевых потребностях. Не так давно, кстати, стало ясно, что, в отличие от лабораторий, в природе микробы практически никогда не существуют в чистых культурах. Они, как правило, образуют сложные сообщества, где каждый из членов в чем-то зависит от других. Есть работы, где показано, что некоторые бактерии, которые не культивировались в чистой культуре, начинают расти в компании с двумя-тремя партнерами. И наоборот, одни бактерии могут угнетать рост других, все как у людей. В этом смысле антибиотики для микробов — это способ общения друг с другом, попытка сказать с помощью химических сигналов, что территория занята, тут тесно и мало пищи и т. д.
— Что мы можем ожидать от этой неведомой темной бактериальной материи?
— Миллиарды и миллиарды неизвестных бактерий существовали миллиарды лет до нас и будут существовать после нас. Это их планета, и им до нас нет совершенно никакого дела. Зато нам с точки зрения поиска новых лекарств очень полезно их изучать. Ведь в них наверняка скрыто потрясающее разнообразие новых биологически активных веществ, о которых мы ничего не знаем. Некоторые из них могут стать высокоэффективными лекарствами.
— Если мы будем выделять новые вещества из этой самой “темной материи”, не получится ли, что мы “подарим” миру неизвестные ранее опасные токсины?
— Нет, не получится. Ведь эти бактерии всегда были рядом с нами, просто мы их не видели. Безусловно, при желании можно направленно искать гены токсинов и делать бактерии, которые их производят. Но найти хороший яд не проще, чем хорошие антибиотики. Если речь о новом оружии, то людей можно укокошивать гораздо проще.
— Последовательность ДНК это, по сути, огромный набор букв, что вы делаете дальше? Как это позволяет искать новые антибиотики?
— С помощью методов биоинформатики можно выделить какие-то группы генов, которые, скорее всего, отвечают за производство антибиотиков. Полученные машиной данные должен проанализировать человек, который разбирается в эволюционных процессах и представляет, может ли этот ген в принципе производить антибиотик. Если все сходится, он дает предсказание, что мы нашли верные гены.
Сейчас очень многие биологи заняты такими биоинформатическими предсказаниями. Одна из наиболее успешных научных групп в этой области работает в Национальных институтах здоровья США под руководством Евгения Кунина, его недавно выбрали в академики Американской национальной академии наук.
–То есть сегодня открытия в биологии совершают математики?
— Отчасти это так. Я думаю, что в недалеком будущем такого рода исследования в массовом режиме будут делать школьники, потому что когда вы определяете метагеном образца почвы из цветочного горшка в кабинете биологии, вероятность того, что при компьютерном анализа данных вы найдете что-то интересное или полезное, нисколько не меньше, чем если вы поедете исследовать какие-нибудь пещеры или подледные озера.
— Что происходит после того, как у вас на руках оказываются перспективные гены?
— Технологии сегодня настолько удешевились, что во всех цивилизованных странах и даже в России можно просто синтезировать ДНК интересующих вас генов.
— То есть вы можете эти искусственные гены внедрить в любой организм, и он начнет производить антибиотик? И это могут быть самые простые кишечные палочки, которые прекрасно размножаются в неволе?
— Именно так: вы вводите гены некультивируемой ранее бактерии в ту же кишечную палочку, а дальше просто смотрите что получилось, и действительно ли она вырабатывает антибиотик.
Но если вдруг действительно обнаружено новое вещество, которое подавляет рост какой-то бактерии, вам надо будет определить его химическую структуру и понять, как именно оно действует. В общем, это нетривиальная и интересная работа с привлечением методов структурной биологии, генетики и биохимии. В результате вы будете иметь представление о механизме действия обнаруженного вами антибиотика, без этой информации продвигаться дальше в его разработке невозможно.
— Раньше таких требований к лекарствам просто не было.
— Если бы полвека назад к новым антибиотикам применяли сегодняшние требования, золотой век антибиотиков никогда бы не наступил! Тогда главное было, чтобы вещество подавляло рост патогенных бактерий и чтобы от него пациенты не умирали. Это, впрочем, приводило и к тяжелым последствиям. Например, в 60-е годы от применения недостаточно очищенного стрептомицина многие пациенты глохли. Но зато они излечивались от туберкулеза. Но потом сам препарат “подчистили”, и все стало нормально. Для фармкомпаний необходимость детальной характеристики того, на что именно действует вещество, это огромная головная боль, а биологам от этого только хорошо — можно открыть массу очень интересных вещей.
— На недавней конференции “Информационные технологии и системы” ваши сотрудники представили доклад о новом веществе, которое в будущем может претендовать на роль антибиотика. Это тоже совместная работа биологов и математиков?
— Да, мы совместно с группой Михаила Гельфанда из Института проблем передачи информации (РАН) открылиновый класс микроцинов — антибиотических пептидов, которые бактерии используют для борьбы с себе подобными. Их предсказали биоинформатики из лаборатории Гельфанда, а мы изучили их действие. Сегодня ясно, что они работают по принципу “троянского коня”: чувствительная бактерия принимает микроцин за пищу, поглощает его и начинает расщеплять, что приводит к высвобождению токсичной “боеголовки”.
Антибиотики для микробов — это способ общения друг с другом, попытка сказать с помощью химических сигналов, что территория занята, тут тесно и мало пищи
— То есть это потенциальный антибиотик?
— В последнее время мы действительно нашли некоторое количество довольно интересных и неожиданных биологически активных веществ. Но никаких гарантий, что из них получится новый препарат, нет. Сегодня нам интересно понять более общие вещи. Например, зачем бактериям нужно тратить силы для того, чтобы производить антибиотики? Сейчас очевидно, что у многих бактерий есть гены, которые позволяют им производить яды, но в большинстве случаев они этого не делают — гены не работают. Они как-то умеют договариваться друг с другом, жить сообществами в состоянии относительного мира. Для нас это очень интересно — как открывать камешки на море, под которыми может оказаться что-то новое. С другой стороны, если работы в этом направлении не будут вестись, то новых антибиотиков в будущем точно не будет.
— Может, лучше пойти совсем другим путем? Например, модифицировать иммунные клетки нашего организма для борьбы с инфекциями?
— Это не моя область, я не могу про это говорить. Но сам человек, кстати, может быть прекрасным “сырьем” для поиска новых антибиотиков. Недавно совершенно новый антибиотик против стафилококков, в том числе устойчивых ко многим лекарствам, выделили прямо из человеческого носа. Ученые справедливо сочли, что если у нас в носу живет много стафилококков и это их естественная среда обитания, то там обитают и другие микробы, которые не дают этим стафилококкам активно размножаться. И действительно, анализируя содержимое носа одного из авторов статьи, ученые выделили бактерию, которая производила антибиотик, угнетавший рост стафилокков! Сама по себе идея очень интересная, потому что показывает, что человеческий микробиом — великое множество бактерий, которое обитает на нас и внутри нас, как источник антибиотиков явно недооценен.
— Насколько сейчас в принципе перспективно заниматься поиском антибиотиков? Сложно на это получить деньги в Штатах и в России?
— В Америке получить грант на антибиотики легче, чем, предположим, на изучение того, как работают гены непатогенных бактерий. Хотя в целом там сейчас не самая благоприятная ситуация с финансированием науки. В свое время Билл Клинтон пообещал, что он к 2010 году увеличит бюджет Национальных институтов здоровья, которые финансируют большинство биомедицинских исследований, вдвое. Это обещание было выполнено, и бюджет вырос с 13 млрд долларов до 33 млрд. Пока бюджет рос, все больше научных групп получало крупные исследовательские гранты на четыре-пять лет. При Буше рост прекратился, и стало понятно, что денег для продления существующих и для новых грантов не хватает. Сейчас вероятность финансирования грантовских заявок не превышает 10%. В России получить исследовательский грант на изучение антибиотиков относительно легко, но подавляющее число людей, занимающихся антибиотиками в России, делают это плохо.
— Причина в 90-х, когда все разъехались?
— 90-е тут ни при чем. У нас в принципе существуют большие проблемы с организацией науки. В России не решены проблемы доставки оборудования, своевременной поставки реагентов, транспорта биологических материалов внутрь страны и за ее пределы. Плохая организация приводит к тому, что большую часть времени ученые, даже в таких организациях, как “Сколтех”, заняты не наукой, а чем-то еще. С этим надо что-то делать, иначе на развитие биомедицины в стране можно ставить крест.
Представьте, если мы получаем какой-то интересный микроорганизм на Камчатке, или из вечной мерзлоты, или еще откуда-нибудь и хотим определить его геном, то сделать это в России практически нереально. В наших геномных центрах я буду ждать реагент для работы четыре месяца, при том что у него срок хранения всего два. Так что мне проще и дешевле переправить препарат в Китай или на Запад, а оттуда получить расшифрованные данные в виде файла и проанализировать их в лаборатории. Но тут возникает проблема, потому что разнообразные российские администраторы часто впадают в ступор, когда видят, что в результате потраченных народных денег получается какой-то файл с длинными текстами из четырех букв, А, Г, Ц и Т (так выглядит расшифровка генома любого организма.— “О”). То есть они вообще не понимают, чем мы занимаемся, что, как правило, не мешает им учить нас, как надо жить. Приходится выкручиваться. Противно…
Во времена СССР было много своих оригинальных антибиотиков, были совершенно замечательные ученые, в том числе великий охотник за антибиотиками Георгий Гаузе, именем которого назван институт на Пироговке. Но времена поменялись, изменилась наука, а у нас очень многие остались в прежних временах, так что современных исследований в этой области в России мало. Заводов по производству антибиотиков в России, кстати, тоже нет.
Беседовала Елена Кудрявцева
Источник: https://www.kommersant.ru/doc/3125061
О дружбе бактерий и человека
2013-12-06T16:25Z
2013-12-19T11:32Z
https://sn.ria.ru/20131206/982492406.html
https://cdn23.img.ria.ru/images/98249/13/982491321_0:227:2499:1644_1036x0_80_0_0_25284244ae5ab5e0882e423f4665ca68.jpg
РИА Новости
https://cdn22.img.ria.ru/i/export/ria/logo.png
РИА Новости
https://cdn22.img.ria.ru/i/export/ria/logo.png
6 декабря 2013, 16:25
5943
В нашем теле живёт сто триллионов бактерий. Они не только помогают переваривать пищу, но и влияют на наше поведение и здоровье. О дружбе человека и бактерии, пересадке кала и пользе йогурта рассказывает сотрудник Гарвардской медицинской школы, биолог Николай Кукушкин.
2004-й год, биофак СПбГУ, первый курс, лекция по введению в биологию. Преподаватель кафедры генетики О. Н.
Тиходеев рассказывает про симбиоз человека и бактерии на примере некогда популярной песни группы «Алиса» «Мы вместе» (аудитория возмущённо реагирует: «Она и сейчас популярна!» –студенты-биологи в то время не отличались прогрессивными вкусами).
Название этой песни, действительно, довольно точно описывает отношения вида Homo sapiens с сотнями видов микроорганизмов, подавляющее большинство из которых представлено бактериями.
Как стало понятно за последние годы, бактерии не просто нахлебничают на остатках непереваренной пищи, но в полной мере участвуют в работе нашего организма, влияя даже на самые «навороченные» системы: нервную, иммунную и эндокринную. Константин Кинчев был прав: мы, действительно, вместе.
В организме взрослого человека в среднем проживает в десять раз больше бактерий, чем наших собственных клеток. Фактически бактерии формируют в нашем теле полноценный орган. Большая часть из них населяет пищеварительный тракт, в первую очередь толстую кишку.
Остальные бактерии обитают на коже, слизистых оболочках и в районе половых органов.
Любопытно, что в каждой микросреде обитания бактерии формируют собственные экосистемы, которые различаются как между собой (например, микрофлора пупка мало напоминает микрофлору пятки), так и от человека к человеку.
Бактерии и человек: кто из нас умнее
1 марта 2011, 10:10
Бактерии кишечника управляют работой и других органов, считают ученыеБактерии, обитающие в кишечнике мышей, оказывают влияние на работу и других внутренних органов организма, например, печени, что приводит к изменению способов и скорости, с которой организм животных перерабатывает питательные вещества, сообщается в статье исследователей, опубликованной в журнале mBio.В популярном сознании бактерия лежит где-то на границе неживой и живой материи, глубоко застряв у самого основания эволюционного древа. Поначалу она бесполезно плавает в океане, потом у неё появляется ядро, потом жгутики с ресничками, потом она делится и образует эдакую лепёшку медузоидного плана, которая быстренько преобразуется в рыбу, вылезающую с помощью мускулистых плавников на берег, где у неё отваливается хвост, появляются лёгкие, потом шерсть, потом палка в руках, и вот, наконец, перед нами, распрямляясь на глазах и сбрасывая узы дикой природы, стоит человек – вершина эволюции. От бактерий – примитивных безъядерных пузырей цитоплазмы – его отделяют миллиарды лет усердного труда по совершенствованию собственного тела.
На самом деле, как вы уже догадались, всё не совсем так. Представление об эволюции как о постепенном преобразовании одних ныне существующих живых существ в другие – грубая ошибка, приводящая к вопросам в духе «если эволюция существует, то почему обезьяны в зоопарках не превращаются в людей». Все современные формы живого появились от одного предка, но это совсем не значит, что бактерии эволюционировали меньше, чем люди. Более того, «эволюционное время» измеряется не годами, а поколениями. Учитывая, что человеческое поколение длится порядка двадцати лет, а бактериальное может длиться двадцать минут, можно прикинуть, кто из нас больше поднаторел в искусстве эволюции.
Действительно, с позиции бактерии всё то, что мы считаем признаком эволюционного совершенства, абсолютно бессмысленно. Мы вырастили себе огромный мозг и мощные органы чувств, чтобы анализировать среду и не попадать в беду. Бактерия не боится попасть в беду.
Она смело осваивает новые территории и среды обитания – например, пупок или пятку, – и если в пределах её изменчивости есть хоть малейший шанс на выживание в этих новых средах, бактерия (точнее, её большая, дружная и активно размножающаяся семья) этот шанс найдёт.
История напоминает старый анекдот про колонизатора-капиталиста. Тот объяснял сидящему под пальмой аборигену, как наладить кокосовый бизнес, чтобы разбогатеть и через годы упорной работы спокойно сидеть под пальмой.
Так и мы свысока смотрим на «примитивные» формы живого, которым наша фронтальная кора или система комплемента нужны в буквальном смысле как рыбе зонтик.
Есть что-то потрясающе элегантное в том, что мы с вами представляем собой продукт двух этих противоположных стратегий выживания: «быть совершенством самому» или «невероятно размножиться, чтобы стать совершенством как целое» (в терминах экологии они называются K- и r-стратегиями, соответственно). Именно «мы» – потому что чем больше учёные знают о бактериальных спутниках человека, тем яснее становится, что отделять «нас» от «них» уже не имеет смысла. Кому-то это может показаться оскорбительным, но отказываться из-за этого от йогурта, пожалуй, всё-таки не стоит.
Психотропный кефир
Запомните новое модное слово: психобиота. Термину пока далеко до однозначного признания учёным сообществом, но прозорливые журналисты уже вовсю им жонглируют.
Так или иначе, достоверно установлено: микрофлора кишечника влияет на развитие и функционирование нервной системы, включая болевую чувствительность, раздражительность и эмоциональность.
Например, международная группа учёных под руководством Джона Биненстока и Джона Крайена исследовала влияние кишечных бактерий на рецепторы к гамма-аминомасляной кислоте (ГАМК) – тормозному нейромедиатору, то есть веществу, снижающему активность нервных клеток.
Недостаток или низкая чувствительность к ГАМК может приводить, например, к повышенной раздражительности и депрессии. После кормления выращенных в стерильных условиях мышей бактерией Lactobacillus rhamnosus (кстати говоря, это одна из основных бактерий в кефире и в других кисломолочных продуктах) учёные обнаружили, что в их мозгу становится больше рецепторов ГАМК.
Другими словами, кишечные бактерии помогают головному мозгу лучше успокаиваться. Сами же «кефирные» мыши спокойнее реагируют на стресс и в целом, похоже, философски относятся к запугиванию извергами-учёными.
Такой эффект достигается за счёт сигналов, поступающих в мозг по блуждающему нерву – основной «нервной магистрали», связывающей пищеварительный тракт с головным мозгом.
Похожие «антидепрессивные» свойства других видов бактерий были показаны на крысах и даже на человеческих добровольцах, хотя конкретные механизмы в этих случаях остаются невыясненными.
Но не всё так однозначно: группа учёных из Каролинского института в Стокгольме, например, наоборот установила, что мыши без кишечных бактерий отличаются повышенной подвижностью и сниженной тревожностью.
Высказываются предположения, что кишечная микробиота может влиять на мозг не через нервные каналы, как в вышеописанном примере с блуждающим нервом, а напрямую, путём выделения в кровь психоактивных веществ.
Бактерии заботятся о нашем здоровье
Если взаимоотношения между кишечной микрофлорой и психикой – тема модная, но на сегодняшний день совсем малоизученная, то о влиянии бактерий на пищеварение знает каждый, кто когда-нибудь смотрел телевизор. Рекламная индустрия даже придумала специальные эвфемизмы для описаний этой малоэстетичной темы («Йогурт X поможет тебе оставаться лёгкой!»).
Но и здесь всё гораздо сложнее, чем кажется. Традиционно роль бактерий в кишечнике сводилась к переработке отходов, которые мы не можем переварить сами. Тут опять-таки сквозит наш болезненный антропоцентризм: очень сложно признать, что «примитивные» бактерии занимаются на нашей территории чем-то, кроме ассенизации.
На самом деле совместная эволюция млекопитающих с бактериями привела к тесной взаимосвязи всех аспектов нашего метаболизма с жизнедеятельностью кишечной микрофлоры.
Некоторые «полезные» бактерии (это не какая-то особая группа бактерий, а любые живущие у нас в организме бактерии, которые, насколько нам известно, не вредные), например, выделают короткоцепочечные жирные кислоты. Эти вещества вызывают в нашем организме целый спектр сложных и, похоже, полезных эффектов.
Они снижают липогенез (то есть отложение жира), ускоряют сокращения кишечника и снижают аппетит. Они ослабляют воспалительные и окислительные процессы в печени и жировой ткани (эти процессы часто связывают, например, с развитием ожирения и диабета II типа). Кроме того, они постоянно стимулируют иммунитет.
Все описанные эффекты с практической точки зрения – одновременно и хорошая, и плохая новость. Хорошая новость заключается в том, что, манипулируя составом микробиоты в кишечнике, мы потенциально можем решить чуть ли не все современные проблемы человечества: от ожирения до аллергии. Плохая новость заключается в том, что мы понятия не имеем, как это делать.
Вполне возможно, что «пересадка стула» может помочь и при других заболеваниях, в которых наблюдается расстройство микрофлоры кишечника. Энтузиаст фекальной терапии Томас Бороди из Университета Сиднея вообще, похоже, предлагает лечить калом все болезни: от аллергии до ожирения. В свете последнего интересно следующее исследование.
В нём кал пересаживали не от человека к человеку, а от человека мышам, но зато в качестве доноров выбирали пары близнецов (чтобы максимально сократить влияние врождённых факторов), резко отличающихся по степени ожирения.
Результаты оказались феноменальными: мыши, которым вводили кал от толстых близнецов, толстели значительно сильнее!
По йогурту и спать
Одной из немногих «нетронутых бактериями» областей человеческой жизнедеятельности долгое время считалось зародышевое развитие. Вплоть до момента рождения эмбрион развивается в стерильных условиях – о каком влиянии бактерий может идти речь? Но в последнее время даже беременность оказывается объектом изучения микробиологов.
Дело в том, что хотя плод действительно не имеет собственной микрофлоры, материнские бактерии могут серьёзно влиять на эмбриональное развитие как напрямую, выделяя в кровь биоактивные вещества, проходящие через плаценту, так и косвенно, влияя на метаболизм матери.
Например, международной группе учёных под руководством Рут Лей из Университета Корнелла в США удалось показать чёткие стадии изменения состава микробиоты в кишечнике беременных женщин. На более поздних стадиях беременности эти изменения приводят к повышенному жиронакоплению и сниженной чувствительности к инсулину.
Хотя в обычных условиях такие эффекты считаются неблагоприятными, при беременности они оказываются полезными для матери и плода. Ну а уж во время и после рождения материнские бактерии и вовсе активно «заражают» новорожденного, обеспечивая, если хотите, преемственность микрофлоры.
Учитывая роль кишечных бактерий чуть ли не в каждом аспекте развития и функционирования нашего организма, не исключено, что через несколько лет мы заговорим уже и о «бактериальной наследственности». Перефразируя ещё одну песню, и сейчас популярную, – «Мама – анархия, папа – стакан кефира».
Мнение автора может не совпадать с позицией редакции
Источник: https://sn.ria.ru/20131206/982492406.html
Загрузка...
